JP2020197482A - 回転検出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】磁気センサとして異方性磁気抵抗素子を用いつつ、着磁ロータの着磁パターンどおりの信号を出力でき、ノイズの影響を受けにくい回転検出装置を実現する。【解決手段】着磁ロータ２と磁気センサ３とを備える回転検出装置において、着磁ロータ２は、異極の関係とされた第１着磁部２１と第２着磁部２２とが交互に繰り返し配列され、その間に着磁されていない未着磁部２３が配置された構成である。磁気センサ３は、異方性磁気抵抗素子を有した構成である。これにより、磁気センサ３が第１着磁部２１、第２着磁部２２ではＨｉの信号を出力し、未着磁部２３ではＬｏの信号を出力することとなり、着磁ロータ２の着磁パターンどおりの信号を出力する回転検出装置となる。また、異方性磁気抵抗素子を用いることで出力信号が大きくなり、ノイズの影響が低減される。【選択図】図２

Description

本発明は、回転検出装置に関する。

従来、磁気センサを用いた回転検出装置として、例えば特許文献１に記載のものが提案されている。特許文献１に記載の回転検出装置は、磁気センサとしてのホール素子と、回転体と、回転体に装着され、Ｓ極およびＮ極が交互に繰り返し着磁された磁気部材とを備え、ホール素子が磁気部材に対して所定の位置に離間して配置されてなる。この回転検出装置は、回転体と共に磁気部材が回転し、ホール素子が磁気部材の回転に伴う磁極変化に応じたパルス信号を出力することで、回転体の回転を検出する。この種の回転検出装置は、例えば、カムセンサ等に適用される。

特開２０００−９４１６号公報

ところで、カムセンサ等では、磁気センサは、不定期周期のセンサ信号を出力すること、すなわち磁気部材の着磁パターンどおりのセンサ信号を出力することが要求される。具体的には、磁気センサは、磁気部材の着磁パターンどおりのＨｉおよびＬｏの信号出力、例えば、磁気部材のＮ極とＳ極との切り替わりに応じて出力信号が切り替わると共に、Ｎ極ではＨｉ、Ｓ極ではＬｏのセンサ信号を出力することが求められる。

しかしながら、磁気センサとしてホール素子を用いた場合、上記のような信号を出力するものの、出力する信号が小さいため、意図しないノイズが生じた場合には、ノイズ影響を受けるおそれがある。

ノイズによる影響を低減するためには、ホール素子に比べてセンサ信号の出力が大きい異方性磁気抵抗素子（ＡＭＲ素子）、巨大磁気抵抗素子（ＧＭＲ素子）やトンネル磁気抵抗素子（ＴＭＲ素子）を用いることが考えられる。

しかしながら、ＧＭＲ素子やＴＭＲ素子は、例えば、磁化の向きが固定されていないフリー層と磁化の向きが固定されたピン層とがスペーサ層またはバリア層を介して積層された積層膜構造である。そのため、ＧＭＲ素子やＴＭＲ素子を用いる場合には、センサ信号の出力がホール素子よりも大きいものの、ホール素子よりもコスト面では不利となる。

一方、ＡＭＲ素子は、出力信号がホール素子よりも大きく、単層膜構造であるため、ＧＭＲ素子やＴＭＲ素子に比べてコスト面では有利であるが、センサ信号の出力パターンが異なる。具体的には、Ｎ極とＳ極とが交互に繰り返し配列されてなる着磁ロータに対して、磁気センサとしてＡＭＲ素子を用いた場合、ＡＭＲ素子を有してなる磁気センサは、例えば、Ｎ極およびＳ極の領域でＨｉ、Ｎ極とＳ極との境界領域でＬｏの信号を出力する。そのため、単にＡＭＲ素子を用いた場合には、ホール素子やＧＭＲ素子等を用いた場合のように、着磁パターンどおりにＨｉおよびＬｏのセンサ信号を交互に出力する構成の回転検出装置にはならない。

本発明は、上記の点に鑑みてなされたものであり、磁気センサとしてＡＭＲ素子を用いつつも、着磁パターンどおりに切り替わるセンサ信号を出力でき、従来よりもノイズ影響が低減した回転検出装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、請求項１に記載の回転検出装置は、回転体（１）の回転状態を検出する回転検出装置であって、第１着磁部（２１）、第２着磁部（２２）および未着磁部（２３）をそれぞれ複数個有してなり、回転体の回転に連動して回転する着磁ロータ（２）と、着磁ロータに対して距離を隔てて配置され、第１着磁部および第２着磁部の磁気に応じた信号を出力する磁気センサ（３）と、を備え、第１着磁部および第２着磁部は、未着磁部を隔てて交互に繰り返し配列されており、第２着磁部は、第１着磁部とは異なる極性とされており、磁気センサは、異方性磁気抵抗素子を有してなる。

これによれば、異方性磁気抵抗素子である磁気センサは、第１着磁部および第２着磁部と、未着磁部とにおいて異なるセンサ信号を出力することになる。そのため、磁気センサとしてＡＭＲ素子を用いつつも、着磁ロータにおける着磁パターンどおりの信号出力が可能な構成の回転検出装置となる。また、ＡＭＲ素子を用いることにより、ホール素子を用いる従来の構成に比べて、信号の出力が大きくなり、ノイズの影響が低減される。

なお、各構成要素等に付された括弧付きの参照符号は、その構成要素等と後述する実施形態に記載の具体的な構成要素等との対応関係の一例を示すものである。

第１実施形態の回転検出装置の概要を示す図である。 図１の破線で囲んだ領域を拡大して示す拡大図である。 図１の磁気センサの平面構成を拡大して示す拡大平面図である。 図３のIV-IV間の断面構成を示す断面図である。 従来の着磁ロータに対する磁気センサの内部信号およびセンサ出力であって、用いる磁気センサの種類による違いを説明するための説明図である。 第１実施形態の回転検出装置における着磁ロータの着磁パターンと磁気センサの内部信号およびセンサ出力の例を示す図である。 第２実施形態の回転検出装置における着磁ロータの着磁パターンの一例を示す図である。

以下、本発明の実施形態について図に基づいて説明する。なお、以下の各実施形態相互において、互いに同一もしくは均等である部分には、同一符号を付して説明を行う。

（第１実施形態）
第１実施形態の回転検出装置について、図１〜図６を参照して説明する。図２では、後述する着磁部２１、２２の極性の一例であって、着磁部２１がＮ極とされ、着磁部２２がＳ極とされた例を示している。本実施形態の回転検出装置は、例えば自動車などの車両に搭載されるカムセンサなどに適用されると好適であるが、他の用途にも採用され得る。

本実施形態の回転検出装置は、図１に示すように、回転体１に取り付けられ、回転体１の回転に連動して回転する着磁ロータ２と、着磁ロータ２に対して所定の距離を隔てて配置され、着磁ロータ２の磁気に応じた信号を出力する磁気センサ３とを備える。この回転検出装置は、回転体１が回転すると、着磁ロータ２がこれに連動して回転すると共に、磁気センサ３が着磁ロータ２の回転に伴う磁束の向きの変化に応じた信号を出力することで回転体１の回転状態を検出する構成とされている。

回転体１は、任意の磁性体材料で構成され、例えば図１に示すように、本実施形態では円筒形状とされる。回転体１は、例えば図１に示すように、円筒の中心Ｃを通る円筒軸方向から見て、中心Ｃを軸とする周方向に沿って回転する。回転体１の外周面には、着磁ロータ２が貼り付けられている。

着磁ロータ２は、例えば図２に示すように、回転体１の外周面に沿って貼り付けられている。着磁ロータ２は、第１着磁部２１、第２着磁部２２、および未着磁部２３を複数個有してなり、例えば多極ゴム磁石とされる。着磁ロータ２は、円筒形状とされ、第１着磁部２１および第２着磁部２２が未着磁部２３を隔てて交互に繰り返し配列された構成とされている。言い換えると、着磁ロータ２は、未着磁部２３を挟んで第１着磁部２１と第２着磁部２２とが互い違いで配置されてなる。

なお、着磁ロータ２は、第１着磁部２１、第２着磁部２２および未着磁部２３の総数が４の倍数とされ、第１着磁部２１と第２着磁部２２とが同数であることが好ましい。つまり、着磁ロータ２は、「未着磁部２３、第１着磁部２１、未着磁部２３、第２着磁部２２」の領域が１セットとされ、この領域をｎセット（ｎは２以上の自然数）有してなる構成とされることが好ましい。これは、磁気センサ３が着磁ロータ２の着磁パターンどおりの信号出力を行う構成とするためである。この詳細については後述する。

第１着磁部２１および第２着磁部２２は、着磁され、磁石として機能する領域であり、異極の関係とされている。本実施形態では、着磁ロータ２において第１着磁部２１がＮ極、第２着磁部２２がＳ極とされた例を代表例として説明するが、この逆の関係であってもよい。第１着磁部２１および第２着磁部２２は、着磁ロータ２の円筒軸方向を軸とする径方向が磁化方向とされている。そして、着磁ロータ２は、第１着磁部２１から第２着磁部２２へ流れる磁束が生じる構成となっている。

未着磁部２３は、着磁されていない領域、すなわち磁石として機能しない領域である。未着磁部２３は、図２に示すように、交互に繰り返して配列されている第１着磁部２１と第２着磁部２２とのそれぞれの間に挟まれた配置とされている。

なお、第１着磁部２１、第２着磁部２２および未着磁部２３の回転方向におけるサイズや数量については任意であり、適宜変更されてもよい。

磁気センサ３は、図２に示すように、着磁ロータ２から所定の距離を隔てて配置され、着磁ロータ２から受ける磁束の向きに応じた信号を出力するものである。磁気センサ３は、例えば図３に示すように、リードフレーム３１、ターミナル３２、センサチップ３３、処理回路チップ３４、ワイヤ３５、３６、モールド樹脂３７および保持部３８を有してなる。

リードフレーム３１は、例えばアイランド部３１１と３つのリード部３１２〜３１４とを備え、任意の金属材料によりなる。アイランド部３１１上には、センサチップ３３および処理回路チップ３４が搭載されている。アイランド部３１１は、例えばリード部３１２と一体とされるが、別体であってもよい。

リード部３１２〜３１４は、グラウンド電圧が印加されるグラウンド用リード部３１２と、図示しない外部の電源からの電源電圧が印加される電源用リード部３１３と、センサ信号を外部に出力する信号用リード部３１４とにより構成される。リード部３１２〜３１４は、アイランド部３１１側の一端がモールド樹脂３７に覆われると共に、ワイヤ３５を介して処理回路チップ３４と電気的に接続されている。リード部３１２〜３１４は、モールド樹脂３７から露出する他端側がターミナル３２に接続されている。ターミナル３２は、例えば図示しない外部のハーネス等に接続される。

センサチップ３３は、図示しない接着剤等によりアイランド部３１１に搭載されている。センサチップ３３は、外部からの磁束の向きに応じて抵抗値が変化するＡＭＲ素子を含んだ構成とされている。センサチップ３３中のＡＭＲ素子は、例えば、第１着磁部２１または第２着磁部２２が磁気センサ３と対向配置された状況、すなわちセンサチップ３３に対して水平な向きの磁束が生じる状況において抵抗値が小さくなる構成とされる。また、このＡＭＲ素子は、未着磁部２３が磁気センサ３と対向配置された状況、すなわちセンサチップ３３に対して垂直な向きの磁束が生じる状況において抵抗値がほぼ変化しない構成とされる。このセンサチップ３３が出力する内部信号と着磁ロータ２の配列との関係については、後述する。

センサチップ３３は、例えば図３に示すように、ワイヤ３６を介して処理回路チップ３４と電気的に接続されており、処理回路チップ３４を介してグラウンド電圧や電源電圧が印加される。また、センサチップ３３が出力する内部信号は、ワイヤ３６を介して処理回路チップ３４に伝送される。

処理回路チップ３４は、センサチップ３３と同様に、図示しない接着剤等を介してアイランド部３１１に搭載されている。処理回路チップ３４は、センサチップ３３から伝送された内部信号を処理する図示しない回路部を有してなる。処理回路チップ３４の回路部で処理された信号は、ワイヤ３５を介してセンサ出力として信号用リード部３１４に伝送され、外部に出力される。

モールド樹脂３７は、例えば図３または図４に示すように、アイランド部３１１、リード部３１２〜３１４の一端側、センサチップ３３、処理回路チップ３４およびワイヤ３５、３６を覆っている。モールド樹脂３７は、例えばエポキシ樹脂などの任意の樹脂材料により構成される。モールド樹脂３７は、図４に示すように、保持部３８により保持されている。

以下、説明の便宜上、モールド樹脂３７およびこれに覆われた部分と、リード部３１２〜３１４のうちモールド樹脂３７から露出する部分と、ターミナル３２とを合わせて「モールドＩＣ４」と称する。

保持部３８は、図４に示すように、モールドＩＣ４を保持する部材であり、任意の樹脂材料によりなる。保持部３８は、着磁ロータ２から所定の距離を隔てて配置されており、センサチップ３３と着磁ロータ２との距離を所定の範囲内に保っている。

以上が、本実施形態の回転検出装置の基本的な構成である。

次に、着磁ロータ２における着磁部２１、２２および未着磁部２３の配列と磁気センサ３の出力信号との関係について図６を参照して説明するが、まず、従来の着磁ロータ２と磁気センサの出力信号について図５を参照して述べる。

図５では、Ｎ極の第１着磁部２１およびＳ極の第２着磁部２２を複数備え、これらの着磁部２１、２２が互いに接すると共に、交互に繰り返し配列されてなる従来の着磁ロータ２０の一部を示している。また、図５では、従来の着磁ロータ２０に対して対向配置される磁気センサとして、ホール素子を用いた場合、およびＡＭＲ素子を用いた場合におけるそれぞれの内部信号とセンサ出力とを示している。図５、図６では、着磁ロータ２または着磁ロータ２０における磁束の向きを矢印で示している。図６では、着磁ロータ２の一部と、ＡＭＲ素子を有してなる磁気センサ３の内部信号およびセンサ出力とを示している。

ホール素子を用いた場合、ホール素子が出力する内部信号は、図５に示すように、Ｎ極である第１着磁部２１において大きくなり、Ｓ極である第２着磁部２２において小さくなる。この内部信号を回路部で処理し、センサ出力として出力すると、Ｎ極においてＨｉ、Ｓ極においてＬｏの信号を出力することになる。つまり、従来の着磁ロータ２０の着磁パターンどおりにＨｉ／Ｌｏの信号を出力する構成の回転検出装置となる。

なお、上記では、ホール素子を例に説明したが、ホール素子の代わりにＧＭＲ素子やＴＭＲ素子を用いた場合においても同様の出力信号パターンを得ることができる。しかしながら、ＧＭＲ素子やＴＭＲ素子を用いた場合、ホール素子に比べて信号の出力が大きくなるものの、コスト面で不利となる。

続いて、この従来の着磁ロータ２０に対して、ＡＭＲ素子を用いた場合について説明する。なお、図５では、ＡＭＲ素子が第１着磁部２１または第２着磁部２２と向き合う状況において、これらの磁束がＡＭＲ素子に対して水平な向きとなる配置である場合を示している。

ＡＭＲ素子を用いた場合、ＡＭＲ素子は、着磁部２１、２２の回転方向における中心に近い位置ほど内部信号の出力が大きくなる。また、ＡＭＲ素子は、着磁部２１、２２の境界付近に近い位置、すなわち着磁部２１、２２における磁束の向きに対して垂直な向きの磁束が生じる領域に近い位置ほど内部信号の出力が小さくなる。

その結果、図５に示すように、第１着磁部２１および第２着磁部２２ではＨｉの信号を出力し、これらの境界付近ではＬｏの信号を出力する構成の回転検出装置となる。つまり、従来の着磁ロータ２０とＡＭＲ素子を有する磁気センサとを用いた場合、着磁ロータ２０の着磁パターンどおりの信号出力をする構成とはならない。

なお、ここでいう「着磁パターンどおりの信号出力」とは、着磁ロータの回転に伴い、磁気センサの正面に位置する当該着磁ロータを構成する各領域が切り替わるごとにＨｉとＬｏとの信号が入れ替わるような信号出力を指す。

そこで、本発明者らは、鋭意検討の結果、第１着磁部２１と第２着磁部２２との間に未着磁部２３が配置された構成の着磁ロータ２とすることで、ＡＭＲ素子を用いた場合であっても、着磁パターンどおりの信号出力が可能な回転検出装置を考案するに至った。

具体的には、図６に示すように、交互に繰り返し配列される第１着磁部２１と第２着磁部２２とのそれぞれの間に未着磁部２３を設けた着磁ロータ２とした。この着磁ロータ２では、図６に示すように、第１着磁部２１および第２着磁部２２においては、主にＡＭＲ素子の内部信号の出力が大きくなる向きの磁束が生じている。一方、未着磁部２３においては、第１着磁部２１から第２着磁部２２に向かう磁束、すなわち第１着磁部２１および第２着磁部２２の中心位置における磁束の向きに対して垂直な向きの磁束が生じることになる。

その結果、ＡＭＲ素子の内部信号は、第１着磁部２１または第２着磁部２２と向き合う場合には大きくなる一方で、未着磁部２３と向き合う場合には小さくなる。したがって、磁気センサ３のセンサ出力は、図６に示すように、着磁部２１、２２ではＨｉ、未着磁部２３ではＬｏとなり、着磁パターンどおりの信号出力となる。

また、ＡＭＲ素子をもちいることで、ホール素子の出力信号よりも大きな信号が得られ、ノイズの影響を受けにくくなることに加え、ノイズ影響の低減に伴い、繰り返し再現性も向上するとの効果が得られる。さらに、ＡＭＲ素子は、ＧＭＲ素子やＴＭＲ素子よりも構成がシンプルであり、コスト面で有利である。

本実施形態によれば、ＡＭＲ素子を有してなる磁気センサを用いつつも、着磁ロータ２の着磁パターンどおりの信号出力が得られると共に、ノイズの影響が低減された構成の回転検出装置となる。

（第２実施形態）
第２実施形態の回転検出装置について、図７を参照して説明する。図７では、見易くして理解を助けるため、後述する小着磁部２４２にハッチングを施している。

本実施形態の回転検出装置は、着磁部２１、２２を「大着磁部」として、図７に示すように、複数の未着磁部２３のうち一部の未着磁部２４が、複数の小着磁部２４２を有してなる構成である点で上記第１実施形態と相違する。本実施形態では、この相違点について主に説明する。

複数の未着磁部２３のうち一部の未着磁部２４は、例えば、図７に示すように、未着磁領域２４１と、小着磁部２４２とが交互に配置されたストライプ状の構成とされている。未着磁部２４は、小着磁部２４２を有しない他の未着磁部２３よりも回転方向における幅が広くされている。未着磁部２４は、回転方向における幅が広くされることで、当該未着磁部２４の回転方向における中心位置での磁力が小さくなり、磁気センサ３の信号出力のパターンを変化する要因となり得る。

そこで、未着磁部２４は、回転方向の中心における磁力の過度な低下を抑制し、磁気センサ３が着磁パターンどおりの信号を出力できるようにするため、幅狭の小着磁部２４２を有した構成とされている。

なお、未着磁部２４は、その数や回転方向における幅については適宜変更され得る。また、例えば、着磁ロータ２の他の部位における磁束が着磁ロータ２の回転角度を検出するのに用いられる場合、未着磁部２４は、その回転角度の基準位置を検出するのに用いられる。

小着磁部２４２は、少なくとも２つ配置され、第１着磁部２１および第２着磁部２２と未着磁領域２４１を隔てて配置されると共に、他の小着磁部２４２とも未着磁領域２４１を隔てて配置される。言い換えると、未着磁部２４は、２つの小着磁部２４２を備え、小着磁部２４２それぞれを挟んだ両側に未着磁領域２４１が配置された構成とされている。

以下、説明の便宜上、２つの小着磁部２４２のうち第１着磁部２１に隣接するものを「小着磁部２４２Ａ」と称し、第２着磁部２２に隣接するものを「小着磁部２４２Ｂ」と称する。

小着磁部２４２は、未着磁領域２４１を挟んで隣接する大着磁部と同じ極性とされる。具体的には、第１着磁部２１に隣接する小着磁部２４２Ａは、第１着磁部２１と同じ極性（図７の例では、Ｎ極）とされる。第２着磁部２２に隣接する小着磁部２４２Ｂは、第２着磁部２２と同じ極性（図７の例では、Ｓ極）とされる。つまり、未着磁部２４は、異極の関係とされた少なくとも一対の小着磁部２４２を有した構成とされる。複数の小着磁部２４２は、例えば、回転方向における幅、すなわち横幅およびその面積が等しくされるが、これに限定されない。

これにより、未着磁部２４の回転方向における中心位置での磁力低下を抑制し、磁力低下の影響により、磁気センサ３が着磁ロータ２の着磁パターンとは異なる意図しない信号を出力することを抑止できる。

なお、ここでいう「隣接する大着磁部」とは、ある小着磁部２４２を基準として、回転方向において他の小着磁部２４２を介さずに隣接する第１着磁部２１または第２着磁部２２を指す。

本実施形態によれば、上記第１実施形態の効果に加えて、回転方向における幅が他の未着磁部２３よりも広い未着磁部２４を有しつつも、未着磁部２４における磁力低下の影響が低減されるとの効果が得られる回転検出装置となる。

（他の実施形態）
本発明は、実施例に準拠して記述されたが、本発明は当該実施例や構造に限定されるものではないと理解される。本発明は、様々な変形例や均等範囲内の変形をも包含する。加えて、様々な組み合わせや形態、さらには、それらの一要素のみ、それ以上、あるいはそれ以下、を含む他の組み合わせや形態をも、本発明の範疇や思想範囲に入るものである。

（１）例えば、上記各実施形態では、回転体１が円筒形状とされたものに着磁ロータ２が搭載される例を前提に説明したが、回転体１は、円筒形状に限られず、円柱形状などの他の形状とされていても構わない。

（２）上記各実施形態では、図２や図７などに示すように、着磁部２１、２２の回転方向における幅が未着磁部２３と同程度である例について説明したが、着磁部２１、２２の幅については適宜変更されてもよい。

１ 回転体
２ 着磁ロータ
２１ 第１着磁部
２２ 第２着磁部
２３、２４ 未着磁部
２４１ 未着磁領域
２４２ 小着磁部
３ 磁気センサ

Claims (3)

1. 回転体（１）の回転状態を検出する回転検出装置であって、
   第１着磁部（２１）、第２着磁部（２２）および未着磁部（２３）をそれぞれ複数個有してなり、前記回転体の回転に連動して回転する着磁ロータ（２）と、
   前記着磁ロータに対して距離を隔てて配置され、前記第１着磁部および前記第２着磁部の磁気に応じた信号を出力する磁気センサ（３）と、を備え、
   前記第１着磁部および前記第２着磁部は、前記未着磁部を隔てて交互に繰り返し配列されており、
   前記第２着磁部は、前記第１着磁部とは異なる極性とされており、
   前記磁気センサは、異方性磁気抵抗素子を有してなる、回転検出装置。
2. 前記第１着磁部、前記第２着磁部および前記未着磁部の総数が４の倍数であり、
   前記第１着磁部の数は、前記第２着磁部の数と同じである、請求項１に記載の回転検出装置。
3. 前記第１着磁部および前記第２着磁部を大着磁部として、
   複数の前記未着磁部のうち一部の前記未着磁部（２４）は、前記回転体の回転方向における幅が前記大着磁部よりも小さい、２つの小着磁部（２４２）を有してなり、
   ２つの前記小着磁部は、互いに未着磁領域（２４１）を隔てて配置されると共に、前記大着磁部とは前記未着磁領域を隔てて配置されており、
   前記第１着磁部に隣接する前記小着磁部（２４２Ａ）は、前記第１着磁部と同じ極性であり、
   前記第２着磁部に隣接する前記小着磁部（２４２Ｂ）は、前記第２着磁部と同じ極性である、請求項１または２に記載の回転検出装置。

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